JP7035676B2

JP7035676B2 - アンモニアの燃焼により駆動力を得る内燃機関の排気浄化装置及び方法

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Description

本発明は、アンモニアの燃焼により駆動力を得る内燃機関の排気を浄化する技術に関する。

触媒を利用して、エンジンなどの内燃機関の排気に含まれる有害物質を浄化する技術が知られている。例えば、非特許文献１には、三元触媒を搭載した触媒システムにおいて、排気中の酸素（Ｏ₂）濃度をモニタし、排気中の還元剤成分（ＨＣ，ＣＯ）と、酸化剤成分（ＮＯ）とが常にバランスするよう空燃比を制御することが記載されている。例えば、特許文献１には、ゼオライトと、触媒を搭載した主要コンバータとを備える排気浄化システムにおいて、内燃機関からの排気を、冷間始動時中にはゼオライトへと誘導し、ゼオライトが加熱されて脱離温度に達した後には主要コンバータへと誘導することが記載されている。例えば、特許文献２には、冷機起動運転期間の間、内燃機関からの排気を第一触媒ゾーン、ゼオライトを含む吸着ゾーン、第二触媒ゾーンの順に誘導すると共に、第一触媒ゾーンと第二触媒ゾーンとの間で熱を伝達することが記載されている。

土屋荘次・平川暁子、"物質の科学・反応と物性"、第１５章触媒の化学、４．触媒の応用、インターネット＜URL：http://www.campus.ouj.ac.jp/~hamada/TextLib/rm/chap15/Text/Cr991504.html＞

特開平７－１６６８５２号公報特許第３４３５６５２号公報

ところで、アンモニア（ＮＨ₃）ガスを燃焼させて駆動力を得る内燃機関（以降、「アンモニアエンジン」とも呼ぶ。）が知られている。アンモニアは炭素（Ｃ）を含まないため、アンモニアエンジンには排出ガスに二酸化炭素（ＣＯ₂）が含まれないという利点がある。この点、非特許文献１及び特許文献１，２に記載の技術では、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンにおける排気の浄化のみが考慮され、アンモニアエンジンにおける排気の浄化については何ら記載されていない。

また、例えば、非特許文献１の技術をアンモニアエンジンに適用した場合、三元触媒が活性化温度に達していれば、排気中の有害物質であるアンモニアを酸化させると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元させることで有害物質を浄化することができる。しかし、三元触媒が活性化温度に達していない場合、アンモニアや窒素酸化物が未反応のまま三元触媒を通過して排出されるという課題があった。例えば、特許文献１や特許文献２の技術をアンモニアエンジンに適用した場合、触媒が活性化温度に達する前においては、ゼオライトにアンモニアを吸着させることにより、アンモニアの排出を抑制することができる。しかし、ゼオライトは高温になると吸着しているアンモニアの脱離が生じるという特性を有するため、ゼオライトの下流側において、脱離したアンモニアを浄化するための触媒がさらに必要となり、装置やシステムが複雑化、大型化するという課題があった。

本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、アンモニアの燃焼により駆動力を得る内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置において、アンモニアの排出を抑制すると共に、装置の簡易化及び小型化を図ることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。アンモニアの燃焼により駆動力を得る内燃機関の排気浄化装置であって、前記内燃機関からの排気が流通する主流路に設けられた、酸化作用及び還元作用を有する酸化還元触媒と、前記主流路に設けられた選択還元触媒と、前記選択還元触媒の温度を取得する温度取得部と、前記酸化還元触媒の温度を取得する第２温度取得部と、前記排気の混合比を取得する混合比取得部と、前記温度取得部により取得された前記選択還元触媒の温度が、前記選択還元触媒の活性化温度を超えた場合に、前記酸化還元触媒及び前記選択還元触媒の上流側における排気の混合比を量論から希薄へと変更させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記排気の混合比を希薄へと変更させた後、一定時間の経過後に前記排気の混合比を量論へと変更させ、前記第２温度取得部により取得された前記酸化還元触媒の温度と、前記混合比取得部により取得された前記排気の混合比と、を用いて、前記選択還元触媒に吸着されているアンモニアの量を推定し、前記一定時間を、前記推定した量のアンモニアが前記選択還元触媒における還元作用で消費されるまでの時間とする、排気浄化装置。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。

（１）本発明の一形態によれば、アンモニアの燃焼により駆動力を得る内燃機関の排気浄化装置が提供される。この排気浄化装置は、前記内燃機関からの排気が流通する主流路に設けられた、酸化作用及び還元作用を有する酸化還元触媒と、前記主流路に設けられた選択還元触媒と、前記選択還元触媒の温度を取得する温度取得部と、前記温度取得部により取得された前記選択還元触媒の温度が、前記選択還元触媒の活性化温度を超えた場合に、前記酸化還元触媒及び前記選択還元触媒の上流側における排気の混合比を量論から希薄へと変更させる制御部と、を備える。

この構成によれば、排気浄化装置は、酸化還元触媒と、アンモニア吸着機能を有する選択還元触媒とを備えるため、内燃機関の始動直後等、酸化還元触媒や選択還元触媒が活性化温度に達する前においては、選択還元触媒に排気中のアンモニアを吸着させることによって、アンモニアの排出を抑制できる。また、酸化還元触媒が活性化温度に達した後においては、混合比が量論であるため、酸化還元触媒で排気中のアンモニアを酸化反応させると共に、排気中の窒素酸化物を還元反応させることができ、アンモニアの排出を抑制できる。さらに、選択還元触媒が活性化温度に達した後においては、混合比が量論から希薄へと変更されるため、選択還元触媒で吸着されているアンモニアと排気中の窒素酸化物とを還元反応させることができ、アンモニアの排出を抑制できると共に、選択還元触媒に吸着されているアンモニアを除去することができる。また、本構成によれば、酸化還元触媒と選択還元触媒との組み合わせによって、排気浄化装置の構成を簡易化すると共に、排気浄化装置を小型化できる。

（２）上記形態の排気浄化装置において、前記酸化還元触媒は、前記主流路において、前記選択還元触媒よりも上流側に配置されていてもよい。この構成によれば、排気浄化装置において、酸化還元触媒は主流路の上流側に配置されるため、酸化還元触媒の温度を上昇しやすくし、酸化還元触媒が活性化温度に到達するまでの時間を短縮できる。また、選択還元触媒におけるアンモニアの飽和吸着量は、触媒の温度が上昇するにつれて減少するという特性がある。本構成によれば、選択還元触媒は主流路の下流側に配置されるため、選択還元触媒の温度を上昇しづらくし、選択還元触媒におけるアンモニアの飽和吸着量の減少を抑制できる。

（３）上記形態の排気浄化装置において、前記制御部は、前記排気の混合比を希薄へと変更させた後、一定時間の経過後に前記排気の混合比を量論へと変更させてもよい。この構成によれば、制御部は、酸化還元触媒及び選択還元触媒の上流側における排気の混合比を希薄へと変更させて選択還元触媒によるアンモニアと窒素酸化物との還元反応を進めた後、一定時間の経過後に混合比を量論へと変更させることで、酸化還元触媒によるアンモニアの酸化反応、及び、窒素酸化物の還元反応を継続することができる。

（４）上記形態の排気浄化装置では、さらに、前記酸化還元触媒の温度を取得する第２温度取得部と、前記排気の混合比を取得する混合比取得部と、を備え、前記制御部は、さらに、前記第２温度取得部により取得された前記酸化還元触媒の温度と、前記混合比取得部により取得された前記排気の混合比と、を用いて、前記選択還元触媒に吸着されているアンモニアの量を推定し、前記一定時間を、前記推定した量のアンモニアが前記選択還元触媒における還元作用で消費されるまでの時間としてもよい。この構成によれば、制御部は、酸化還元触媒の温度と排気の混合比とを用いて選択還元触媒に吸着されているアンモニアの量を推定することができる。また、制御部は、酸化還元触媒及び選択還元触媒の上流側における排気の混合比を希薄に維持させる一定時間を、推定した量のアンモニアが還元作用で消費されるまでの間とすることで、選択還元触媒に吸着されているアンモニアの除去を完了させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、アンモニアの燃焼により駆動力を得る内燃機関の排気浄化装置、内燃機関と排気浄化装置とを含むシステム、これら装置及びシステムの制御方法、これら装置及びシステムにおいて実行されるコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのエンジンシステムの概略図である。ゼオライトのアンモニア吸着特性を表す図である。制御部における制御手順の一例を示すフローチャートである。内燃機関の始動後における各部の状態の変化について示す図である。三元触媒及びＳＣＲ触媒における反応の概要を示す図である。

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としてのエンジンシステム１の概略図である。エンジンシステム１は、例えば車両に搭載されて、車両を駆動させるための駆動力を生み出す。エンジンシステム１は、駆動力を生み出す燃焼装置２０と、燃焼装置２０からの排気中における有害物質、例えば、アンモニア（ＮＨ₃）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等を浄化する排気浄化装置１０とを備える。

燃焼装置２０は、燃焼状態制御部２１と、内燃機関２２とを備える。内燃機関２２は、アンモニアガスを燃焼させて駆動力を得るアンモニアエンジンである。以降、アンモニアガスを単に「アンモニア」と呼ぶ。燃焼状態制御部２１は、スロットル（図示省略）を調整して内燃機関２２への空気流量を変更すると共に、燃料供給弁（図示省略）を調整して内燃機関２２への燃料供給量を変更する。これにより、燃焼状態制御部２１は、内燃機関２２内、及び、内燃機関２２から排出される排気中の空気と燃料の質量比（混合比）を、過濃、量論、希薄の各状態へと制御する。混合比について、「Φ＝理論空燃比／実際の混合気の空燃比」としたとき、過濃状態はΦ＞１となる混合比を意味し、量論状態はΦ＝１となる混合比を意味し、希薄状態はΦ＜１となる混合比を意味する。Φは「当量比」とも呼ばれる。燃焼状態制御部２１は、例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）により実装される。

本実施形態の排気浄化装置１０は、酸化還元触媒と、選択還元触媒とを用いて、排気中の有害物質を浄化する。以下の説明では、酸化還元触媒として、三元触媒（Three-Way Catalyst）を例示し、選択還元触媒としてＳＣＲ触媒（Selective Catalytic Reduction catalyst）を例示する。なお、酸化還元触媒としては、酸化作用及び還元作用を有する触媒である限りにおいて、三元触媒以外の触媒も利用できる。例えば、酸化還元触媒としては、セラミックスや酸化チタン等を担体として用い、白金、ロジウム、パラジウム等の貴金属を活性触媒成分として担持した触媒を利用できる。同様に、選択還元触媒としては、アンモニアの吸着作用を有する触媒である限りにおいて、ＳＣＲ触媒以外の触媒も利用できる。例えば、選択還元触媒としては、セラミックスや酸化チタン等を担体として用い、ゼオライトを活性触媒成分として担持した触媒を利用できる。

また、以下の説明では、排気浄化装置１０のうち、内燃機関２２に近い側を「上流側」と呼び、内燃機関２２に遠い側を「下流側」と呼ぶ。図１の場合、左側が上流側に相当し、右側が下流側に相当する。

排気浄化装置１０は、排気浄化装置１０の各部を制御する制御部１１と、内燃機関２２から伸びる排気管１９と、排気管１９上にそれぞれ設けられた三元触媒１２と、ＳＣＲ触媒１３と、混合比取得部１４と、第２温度取得部１５と、第１温度取得部１６とを備える。

制御部１１は、混合比取得部１４、第２温度取得部１５、第１温度取得部１６から取得された各取得値を表す信号を受信する。制御部１１は、受信した各取得値を用いて後述する制御（図３）を実行し、内燃機関２２の混合比を切り替えることによって、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比を切り替える。制御部１１は、例えば、ＥＣＵにより実装される。排気管１９は、内燃機関２２からの排気が流通する主流路を形成する。内燃機関２２からの排気は、排気管１９内の主流路を通って、三元触媒１２と、ＳＣＲ触媒１３とを通過して外気に放出される。

混合比取得部１４は、三元触媒１２より上流側における、内燃機関２２からの排気（排出ガス）の酸素（Ｏ₂）濃度（すなわち混合比）を取得する。混合比取得部１４は、例えば、排気管１９に設けられた酸素センサやアンモニアセンサによって測定された測定信号を取得することで実現できる。混合比取得部１４は「混合比取得部」に相当する。

三元触媒１２は、主流路において最上流側、換言すればＳＣＲ触媒１３よりも上流側に配置されている。三元触媒１２は、排気中のアンモニア、ＮＯｘ、水素（Ｈ₂）を浄化することができるものの、混合比が量論近傍の所定範囲から外れた場合には、これらの浄化性能が低下するという特性を持つ。第２温度取得部１５は、三元触媒１２の温度を測定するセンサであり、本実施形態では、三元触媒１２の触媒内の温度（いわゆる床温）を測定する。なお、第２温度取得部１５は、三元触媒１２の床温に代えて、三元触媒１２の出入口近傍における温度を測定してもよい。第２温度取得部１５は「第２温度取得部」に相当する。

ＳＣＲ触媒１３は、主流路において最下流側、換言すれば三元触媒１２よりも下流側に配置されている。ＳＣＲ触媒１３は、アンモニアを還元剤として、排気中のＮＯｘを浄化することができる。第１温度取得部１６は、ＳＣＲ触媒１３の温度を測定するセンサであり、本実施形態では、ＳＣＲ触媒１３の触媒内の温度（いわゆる床温）を測定する。なお、第１温度取得部１６は、ＳＣＲ触媒１３の床温に代えて、ＳＣＲ触媒１３の出入口近傍における温度を測定してもよい。第１温度取得部１６は「温度取得部」に相当する。

図２は、ゼオライトのアンモニア吸着特性を表す図である。ＳＣＲ触媒１３に含まれるゼオライトは、アンモニアを吸着する性質を有する。図２の縦軸は、ＳＣＲ触媒１３（ゼオライト）の下流側におけるアンモニア濃度を表し、横軸は、ＳＣＲ触媒１３（ゼオライト）へのアンモニア流入量を表す。図示のように、アンモニアの流入量が所定値を超えるまでの範囲Ｌ１において、ＳＣＲ触媒１３は、供給されたアンモニアの全量を吸着することができる。一方で、アンモニアの流入量が所定値を超えた後の範囲Ｌ２では、ＳＣＲ触媒１３に吸着されるアンモニアの量は徐々に減少する。本実施形態のＳＣＲ触媒１３には、内燃機関２２の始動後、ＳＣＲ触媒１３の温度が約２００℃に到達するまでの間に排出されるアンモニアの全量を吸着することが可能な量のゼオライトを担持させている。なお、ゼオライトにおけるアンモニアの飽和吸着量は、温度が上昇するにつれて減少するという特性がある。

図３は、制御部１１における制御手順の一例を示すフローチャートである。図３の制御は、排気浄化装置１０の状態を監視すると共に、ＳＣＲ触媒１３に吸着されたアンモニアを除去するための制御である。

ステップＳ１において制御部１１は、開始条件が成立したか否かを判定する。開始条件としては種々の条件を利用でき、例えば、以下の条件ａ１～ａ３の少なくとも１つ以上を利用できる。以降の説明では、条件ａ１を採用する場合を例示して説明する。

（ａ１）内燃機関２２が始動した場合：制御部１１は、内燃機関２２の始動を検出した場合、開始条件が成立したと判定する。本条件は、内燃機関２２の始動直後においてＳＣＲ触媒１３に吸着されたアンモニアを除去したい場合に有用である。
（ａ２）前回の制御から一定時間が経過した場合：制御部１１は、例えば、前回ステップＳ６を実行してから任意に定めた一定時間が経過した場合、開始条件が成立したと判定する。本条件は、ＳＣＲ触媒１３に吸着されたアンモニアを定期的に除去したい場合に有用である。
（ａ３）排気浄化装置１０からのアンモニアの排出を検出した場合：制御部１１は、ＳＣＲ触媒１３の下流側におけるアンモニア濃度を取得または推定し、このアンモニア濃度が一定値を超えた場合、開始条件が成立したと判定する。本条件は、ＳＣＲ触媒１３に吸着されたアンモニアを検出し除去できるため有用である。この場合、排気浄化装置１０には、ＳＣＲ触媒１３の下流側にアンモニアセンサ（図示省略）を備えてもよい。

ステップＳ１の開始条件が成立していない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、制御部１１は、処理をステップＳ１へ遷移させ、開始条件の成立を監視する。一方、開始条件が成立した場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御部１１は、処理をステップＳ２へ遷移させる。

ステップＳ２において制御部１１は、第１温度取得部１６からＳＣＲ触媒１３の温度を取得する。ステップＳ３において制御部１１は、取得したＳＣＲ触媒１３の温度が、ＳＣＲ触媒１３の活性化温度を超えたか否かを判定する。ステップＳ３の「活性化温度」とは、ＳＣＲ触媒１３において、アンモニアによるＮＯｘの還元反応が活発化する下限温度を意味し、予め定められて制御部１１内の図示しない記憶部に記憶されている。ＳＣＲ触媒１３の温度が活性化温度を超えていない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、制御部１１は、処理をステップＳ２へ遷移させ、ＳＣＲ触媒１３の温度を監視する。一方、ＳＣＲ触媒１３の温度が活性化温度を超えた場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御部１１は、処理をステップＳ４へ遷移させる。

ステップＳ４において制御部１１は、内燃機関２２の混合比を量論から希薄へと変更させる。具体的には、制御部１１は、内燃機関２２の混合比を希薄へと変更する旨の指示信号を燃焼状態制御部２１へと送信する。指示信号を受信した燃焼状態制御部２１は、内燃機関２２に対する空気及び燃料供給量を変更することで、内燃機関２２の混合比を量論から希薄へと変更する。これにより、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比も、量論から希薄へと変更される。

ステップＳ５において制御部１１は、終了条件が成立したか否かを判定する。終了条件としては種々の条件を利用でき、例えば、以下の条件ｂ１、ｂ１－１のいずれかを利用できる。以降の説明では、条件ｂ１－１を採用する場合を例示して説明する。

（ｂ１）混合気を希薄としてから一定時間が経過した場合：制御部１１は、ステップＳ４において内燃機関２２の混合気を希薄とさせてから一定時間が経過した場合、終了条件が成立したと判定する。この一定時間は任意に定めることができ、例えば、ＳＣＲ触媒１３において吸着可能なアンモニアの全量がＮＯｘの還元作用で消費されるまでの時間とできる。
（ｂ１－１）ＳＣＲ触媒１３に吸着されたアンモニアの除去が完了した場合：制御部１１は、条件ｂ１の「一定時間」を次のようにして求めることで、終了条件を、ＳＣＲ触媒１３に吸着されたアンモニアの除去が完了した場合としてもよい。制御部１１は、まず、第２温度取得部１５により取得された三元触媒１２の温度と、混合比取得部１４により取得された排気の混合比とから、予め実験等により求めた算出式やマップ等を用いて、ＳＣＲ触媒１３に吸着されているアンモニアの量を推定する。制御部１１は、推定した量のアンモニアがＮＯｘの還元作用で消費されるまでの時間（消費時間）を求め、求めた消費時間を「一定時間」とする。

ステップＳ５の終了条件が成立していない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、制御部１１は、処理をステップＳ５へ遷移させ、終了条件の成立を監視する。この間、内燃機関２２の混合比、すなわち、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比は希薄のまま維持される。一方、終了条件が成立した場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御部１１は、処理をステップＳ６へ遷移させる。

ステップＳ６において制御部１１は、内燃機関２２の混合比を希薄から量論へと変更させる。具体的には、制御部１１は、内燃機関２２の混合比を量論へと変更する旨の指示信号を燃焼状態制御部２１へと送信する。指示信号を受信した燃焼状態制御部２１は、内燃機関２２に対する空気及び燃料供給量を変更することで、内燃機関２２の混合比を希薄から量論へと変更する。これにより、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比も、希薄から量論へと変更される。ステップＳ６の終了後、制御部１１は、処理をステップＳ１へと遷移させ、再び開始条件が成立するまで待機する。この結果、再び開始条件が成立するまでの間は、内燃機関２２の混合比、すなわち、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比は量論のまま維持される。

図４は、内燃機関２２の始動後における各部の状態の変化について示す図である。図４（Ａ）は、ＳＣＲ触媒１３の出口におけるアンモニア濃度Ｃ４、換言すれば、排気浄化装置１０から排出されるアンモニア濃度Ｃ４の経時的変化を表す。図４（Ｂ）は、ＳＣＲ触媒１３に吸着されたアンモニアの量ＡＡ（アンモニア吸着量）の経時的変化を表す。図４（Ｃ）は、三元触媒１２の出口におけるアンモニア濃度Ｃ２及びＮＯｘ濃度Ｃ３、換言すれば、ＳＣＲ触媒１３へと流入するアンモニア濃度Ｃ２及びＮＯｘ濃度Ｃ３の経時的変化を表す。図４（Ｄ）は、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比ＭＲの経時的変化を表す。図４（Ｅ）は、内燃機関２２の出口におけるアンモニア濃度Ｃ１の経時的変化を表す。図４（Ｆ）は、三元触媒１２の温度ＯＲｔ及びＳＣＲ触媒１３の温度ＳＣＲｔの経時的変化を表す。

図５は、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３における反応の概要を示す図である。図５では、排気中の有害物質であるアンモニア、ＮＯｘに加えてさらに、有害物質以外の酸素、窒素（Ｎ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）、水素等についても図示している。以降、図４及び図５を用いて、図３の制御を通じた各部の変化について説明する。

内燃機関２２が始動された時刻ｔ０から、三元触媒１２の温度ＯＲｔが活性化温度Ｔｈ１を超える時刻ｔ２までの区間ｒ１（図３、ステップＳ１）：

図４（Ｅ）に示すように、内燃機関２２が始動された時刻ｔ０から、始動直後の時刻ｔ１までの間は、内燃機関２２における未燃アンモニア量が多いことに起因して、内燃機関２２の出口アンモニア濃度Ｃ１が急増している。その後、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、内燃機関２２における燃焼が安定することから、内燃機関２２の出口アンモニア濃度Ｃ１は徐々に減少する。なお、混合比ＭＲは、図４（Ｄ）に示すように量論に維持されている。

このとき、図４（Ｆ）に示すように、三元触媒１２の温度ＯＲｔは、活性化温度Ｔｈ１（三元触媒１２において酸化還元反応が活発化する下限温度）未満である。このため、三元触媒１２によるアンモニアの酸化及びＮＯｘの還元が十分に進行せず、三元触媒１２に流入した排気中のアンモニアとＮＯｘとは、図４（Ｃ）及び図５（Ａ）に示すように、三元触媒１２の出口から排出される。なお、図４（Ｃ）において、三元触媒１２の出口アンモニア濃度Ｃ２及び出口ＮＯｘ濃度Ｃ３が徐々に低下しているのは、三元触媒１２の温度ＯＲｔの上昇に伴って、三元触媒１２でのアンモニアの酸化及びＮＯｘの還元が徐々に進行するためである。

三元触媒１２の出口から排出されたアンモニアはほぼ全て、図５（Ａ）に示すようにＳＣＲ触媒１３に吸着され、ＳＣＲ触媒１３におけるアンモニア吸着量ＡＡは、図４（Ｂ）に示すように徐々に増加していく。なお、三元触媒１２の出口から排出されたＮＯｘは、ＳＣＲ触媒１３を通過し、排気浄化装置１０から排出される。

このように、内燃機関の始動直後等、三元触媒１２（酸化還元触媒）やＳＣＲ触媒１３（選択還元触媒）が活性化温度Ｔｈ１，Ｔｈ２に達する前の区間ｒ１においては、ＳＣＲ触媒１３に排気中のアンモニアを吸着させることによって、アンモニアの排出を抑制できる（図４（Ａ）、図５（Ａ））。

三元触媒１２の温度ＯＲｔが活性化温度Ｔｈ１を超える時刻ｔ２から、ＳＣＲ触媒１３の温度ＳＣＲｔが活性化温度Ｔｈ２を超える時刻ｔ３までの区間ｒ２（図３、ステップＳ２、Ｓ３：ＮＯ）：

図４（Ｅ）に示すように、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて、内燃機関２２における燃焼が安定しているため、内燃機関２２の出口アンモニア濃度Ｃ１はほぼ一定である。なお、混合比ＭＲは、図４（Ｄ）に示すように量論に維持されている。

このとき、図４（Ｆ）に示すように、三元触媒１２の温度ＯＲｔは、活性化温度Ｔｈ１以上である。このため、三元触媒１２におけるアンモニアの酸化反応と、ＮＯｘの還元反応とが進行し、三元触媒１２に流入した排気中のアンモニアとＮＯｘとは、図４（Ｃ）及び図５（Ｂ）に示すように、三元触媒１２においてそれぞれ浄化され、排出されない。この結果、ＳＣＲ触媒１３にアンモニアが流入しないため、ＳＣＲ触媒１３におけるアンモニア吸着量ＡＡは、図４（Ｂ）に示すようにほぼ変化しない。

このように、三元触媒１２（酸化還元触媒）が活性化温度Ｔｈ１に達した後であって、ＳＣＲ触媒１３（選択還元触媒）が活性化温度Ｔｈ２に達する前の区間ｒ２においては、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比ＭＲが量論であるため、三元触媒１２で排気中のアンモニアを酸化反応させると共に、排気中のＮＯｘを還元反応させることができ、アンモニアの排出を抑制できる（図４（Ａ）、図５（Ｂ））。

ＳＣＲ触媒１３の温度ＳＣＲｔが活性化温度Ｔｈ２を超える時刻ｔ３以降の区間ｒ３のうち、時刻ｔ３から終了条件が成立する時刻ｔ４までの間（図３、ステップＳ３：ＹＥＳ、Ｓ４、Ｓ５：ＮＯ）：

図４（Ｅ）に示すように、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけても、内燃機関２２における燃焼が安定しているため、内燃機関２２の出口アンモニア濃度Ｃ１はほぼ一定である。また、図３のステップＳ４により、混合比ＭＲは、図４（Ｄ）に示すように量論から希薄へと変更される。混合比ＭＲが量論でなくなるため、三元触媒１２によるＮＯｘの還元が十分に進行せず、三元触媒１２に流入した排気中のＮＯｘは、図４（Ｃ）及び図５（Ｃ）に示すように、三元触媒１２の出口から排出される。

このとき、図４（Ｆ）に示すように、ＳＣＲ触媒１３の温度ＳＣＲｔは、活性化温度Ｔｈ２（ＳＣＲ触媒１３においてＮＯｘの還元反応が活発化する下限温度）以上である。このため、ＳＣＲ触媒１３では、図５（Ｃ）に示すように、蓄積されているアンモニアを還元剤として、排気中のＮＯｘを還元する還元作用が進行する。ＳＣＲ触媒１３での還元作用でアンモニアが消費されることに伴い、図４（Ｂ）に示すように、ＳＣＲ触媒１３におけるアンモニア吸着量ＡＡは徐々に減少する。

このように、ＳＣＲ触媒１３（選択還元触媒）が活性化温度Ｔｈ２に達した後の区間ｒ３においては、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比ＭＲが量論から希薄へと変更されるため、ＳＣＲ触媒１３で吸着されているアンモニアと排気中のＮＯｘとを還元反応させることができ、アンモニアの排出を抑制できると共に、ＳＣＲ触媒１３に吸着されているアンモニアを除去することができる（図４（Ａ）、図５（Ｃ）及び（Ｄ））。

ＳＣＲ触媒１３の温度ＳＣＲｔが活性化温度Ｔｈ２を超える時刻ｔ３以降の区間ｒ３のうち、終了条件が成立する時刻ｔ４以降（図３、ステップＳ５：ＹＥＳ、Ｓ６）：

図４（Ｅ）に示すように、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけても、内燃機関２２における燃焼が安定しているため、内燃機関２２の出口アンモニア濃度Ｃ１はほぼ一定である。また、図３のステップＳ６により、混合比ＭＲは、図４（Ｄ）に示すように希薄から量論へと変更される。

混合比ＭＲが量論に戻るため、三元触媒１２におけるアンモニアの酸化反応と、ＮＯｘの還元反応とが進行し、三元触媒１２に流入した排気中のアンモニアとＮＯｘとは、図４（Ｃ）及び図５（Ｂ）に示すように、三元触媒１２においてそれぞれ浄化され、排出されない。この結果、ＳＣＲ触媒１３にアンモニアが流入しないため、ＳＣＲ触媒１３におけるアンモニア吸着量ＡＡは、図４（Ｂ）に示すようにほぼ変化しない。

このように、ＳＣＲ触媒１３（選択還元触媒）が活性化温度Ｔｈ２に達した後の区間ｒ３であって、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比ＭＲが量論へと変更された後においては、三元触媒１２（酸化還元触媒）で排気中のアンモニアを酸化反応させると共に、三元触媒１２で排気中のＮＯｘを還元反応させることができ、アンモニアの排出を抑制できる（図４（Ａ）、図５（Ｂ））。

なお、内燃機関２２が停止され、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３が例えば常温のように、活性化温度未満の温度に戻った後、再び内燃機関２２が始動された後においても、ＳＣＲ触媒１３に蓄積されたアンモニアは除去されているため、図３～図５で説明した処理を繰り返し実施することができる。

以上のように、上記実施形態の排気浄化装置１０では、内燃機関２２の始動直後から停止までの終始に亘って、排気浄化装置１０からのアンモニアの排出を抑制できる。また、ＳＣＲ触媒１３（選択還元触媒）が活性化温度Ｔｈ２に達した後においては、ＳＣＲ触媒１３に吸着されているアンモニアを除去することができるため、図５に示す繰り返し動作が可能となる。さらに、本実施形態の排気浄化装置１０によれば、三元触媒１２（酸化還元触媒）とＳＣＲ触媒１３との組み合わせによって、排気浄化装置１０の構成を簡易化すると共に、排気浄化装置１０を小型化できる。

また、上記実施形態の排気浄化装置１０において、三元触媒１２（酸化還元触媒）は主流路の上流側に配置されるため、三元触媒１２の温度を上昇しやすくし、三元触媒１２が活性化温度Ｔｈ１に到達するまでの時間を短縮できる。また、ＳＣＲ触媒１３（選択還元触媒）におけるアンモニアの飽和吸着量は、触媒の温度が上昇するにつれて減少するという特性がある。本実施形態の排気浄化装置１０によれば、ＳＣＲ触媒１３は主流路の下流側に配置されるため、ＳＣＲ触媒１３の温度を上昇しづらくし、ＳＣＲ触媒１３におけるアンモニアの飽和吸着量の減少を抑制できる。

さらに、制御部１１は、図３のステップＳ４において混合比ＭＲを希薄へと変更させてＳＣＲ触媒１３（選択還元触媒）によるアンモニアとＮＯｘとの還元反応を進めた後、ステップＳ５において一定時間の経過後に混合比を量論へと変更させることで、三元触媒１２（酸化還元触媒）によるアンモニアの酸化反応、及び、三元触媒１２によるＮＯｘの還元反応を継続することができる。また、ステップＳ５の終了条件として条件ｂ１－１を採用すれば、制御部１１は、三元触媒１２の温度と排気の混合比とを用いてＳＣＲ触媒１３に吸着されているアンモニアの量を推定することができ、三元触媒１２及びＳＣＲ触媒１３の上流側における排気の混合比ＭＲを希薄に維持させる一定時間を、推定した量のアンモニアが還元作用で消費されるまでの間とすることで、ＳＣＲ触媒１３に吸着されているアンモニアの除去を完了させることができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］
上記実施形態では、エンジンシステムの構成の一例を示した。しかし、エンジンシステムの構成は種々の変形が可能である。例えば、エンジンシステムは、図示しない他の装置（例えば、三元触媒やＳＣＲ触媒の状態を監視する装置等）を備えていてもよい。

［変形例２］
上記実施形態では、排気浄化装置の構成の一例を示した。しかし、排気浄化装置の構成は種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、主流路の上流側に三元触媒が配置され、下流側にＳＣＲ触媒が配置されるとしたが、これらは逆にしてもよい。すなわち、主流路の上流側にＳＣＲ触媒が配置され、下流側に三元触媒が配置されてもよい。このようにしても、三元触媒が活性化温度に達する前においては、ＳＣＲ触媒にアンモニアを吸着させることでアンモニアの排出を抑制し、三元触媒が活性化温度に達した後においては、三元触媒でアンモニア及びＮＯｘを浄化することでアンモニアの排出を抑制し、ＳＣＲ触媒が活性化温度に達した後においては、ＳＣＲ触媒に吸着されたアンモニアと排気中のＮＯｘとを還元反応させることでＳＣＲ触媒に吸着されたアンモニアを除去することができるため、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。しかしながら、三元触媒を迅速に触媒活性領域へと移行させ、かつ、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアの飽和吸着量を増大させる観点からは、上記実施形態のように、上流側に三元触媒を配置し、下流側にＳＣＲ触媒を配置することが好ましい。

例えば、排気浄化装置には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ触媒：NOx Storage Reduction catalyst）、酸化触媒（ＤＯＣ触媒：Diesel Oxidation Catalyst）、ＤＰＦ（Diesel particulate filter）等、機能が異なる様々な触媒をさらに配置してもよい。これら各種触媒の配置は、任意に決定できる。

［変形例３］
上記実施形態では、制御部による制御の一例を示した。しかし、制御部による制御は種々の変形が可能である。例えば、ステップＳ１～Ｓ６のうちの一部の手順は省略してもよく、他のステップを追加して実行してもよい。例えば、ステップＳ１において例示した開始条件ａ１～ａ３はあくまで一例であり、種々の開始条件を採用できる。例えば、ステップＳ５において例示した終了条件ｂ１,ｂ１－１はあくまで一例であり、種々の終了条件を採用できる。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１…エンジンシステム
１０…排気浄化装置
１１…制御部
１２…三元触媒
１３…ＳＣＲ触媒
１４…混合比取得部
１５…第２温度取得部
１６…第１温度取得部
１９…排気管
２０…燃焼装置
２１…燃焼状態制御部
２２…内燃機関

Claims

アンモニアの燃焼により駆動力を得る内燃機関の排気浄化装置であって、
前記内燃機関からの排気が流通する主流路に設けられた、酸化作用及び還元作用を有する酸化還元触媒と、
前記主流路に設けられた選択還元触媒と、
前記選択還元触媒の温度を取得する温度取得部と、
前記酸化還元触媒の温度を取得する第２温度取得部と、
前記排気の混合比を取得する混合比取得部と、
前記温度取得部により取得された前記選択還元触媒の温度が、前記選択還元触媒の活性化温度を超えた場合に、前記酸化還元触媒及び前記選択還元触媒の上流側における排気の混合比を量論から希薄へと変更させる制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記排気の混合比を希薄へと変更させた後、一定時間の経過後に前記排気の混合比を量論へと変更させ、
前記第２温度取得部により取得された前記酸化還元触媒の温度と、前記混合比取得部により取得された前記排気の混合比と、を用いて、前記選択還元触媒に吸着されているアンモニアの量を推定し、
前記一定時間を、前記推定した量のアンモニアが前記選択還元触媒における還元作用で消費されるまでの時間とする、排気浄化装置。
請求項１に記載の排気浄化装置であって、
前記酸化還元触媒は、前記主流路において、前記選択還元触媒よりも上流側に配置されている、排気浄化装置。
酸化還元触媒と選択還元触媒とを用いて、アンモニアの燃焼により駆動力を得る内燃機関の排気を浄化する方法であって、
前記選択還元触媒の温度を取得する第１工程と、
前記酸化還元触媒の温度を取得する第２工程と、
前記排気の混合比を取得する第３工程と、
前記選択還元触媒の温度が前記選択還元触媒の活性化温度を超えた場合に、前記酸化還元触媒及び前記選択還元触媒の上流側における排気の混合比を量論から希薄へと変更させる第４工程と、
を備え、
前記第４工程では、
前記排気の混合比を希薄へと変更させた後、一定時間の経過後に前記排気の混合比を量論へと変更させ、
前記第２工程により取得された前記酸化還元触媒の温度と、前記第３工程により取得された前記排気の混合比と、を用いて、前記選択還元触媒に吸着されているアンモニアの量を推定し、
前記一定時間を、前記推定した量のアンモニアが前記選択還元触媒における還元作用で消費されるまでの時間とする、方法。